共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机的制作方法

1.本实用新型涉及发动机技术领域，尤其涉及一种共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机。


背景技术：

2.随着人口的持续增长以及人们生活水平的提高，对能源的需求量日益增加，化石能源日渐枯竭；与此同时，化石能源的使用也导致了全球变暖以及气候变化等问题。上述矛盾促使人们开始探索新的替代能源，这就需要更加有效的能源利用方式。斯特林发动机作为一种外燃机，可以将任何形式的热源转化成机械能，此外，斯特林发动机基于闭式循环的原理进行工作，具有噪声小、不受气压影响等优点，并且斯特林循环的理论效率与卡诺效率相等。
3.依据有无传动机构，斯特林发动机可以分为运动学以及动力学两种类型。自由活塞斯特林发动机作为动力学斯特林发动机中一种最主要的结构类型，它取消了传统运动学斯特林发动机中用于连接两活塞的运动部件，使两个活塞运动独立，活塞之间依靠气体压力进行动力学耦合，具有免维护、自启动以及长寿命等优点，因此在深空探测器同位素电源、空间大型核电站、地面太阳能发电、工业余热回收、家用热电联产等方面都具有广泛的应用前景。
4.自由活塞斯特林发动机是一个振动系统，它主要由动力活塞振动系统、配气活塞振动系统以及整机振动系统构成，其中动力活塞振动系统以及配气活塞振动系统的振动会引起整个发动机的振动。发动机系统的振动不仅会影响整个发动机的性能和使用寿命，还会降低发动机运行的可靠性。简单的减振措施是将两台独立的自由活塞斯特林发电机对置设置，这种设置理论上可以达到减少振动的目的，但前提是要求两台发电机的热动力学参数完全一致，不一致后会产生复杂的相互耦合与影响，减振效果下降。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供一种共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，用以解决现有技术中发电机振动影响较大的技术问题。
6.本实用新型实施例提供一种共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，包括：至少一组热气缸，内设有多个两两对置的多个配气活塞；
7.至少一组冷气缸，内设有多个两两对置的多个动力活塞；
8.多组所述配气活塞围合形成热腔，所述配气活塞远离所述热腔的一侧设有第一背压腔；多组所述动力活塞围合形成第一冷腔，所述动力活塞远离所述第一冷腔的一侧为与所述第一背压腔相连通的第二背压腔。
9.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述配气活塞远离对置设置的另一所述配气活塞的一端设有隔板和配气活塞板弹簧；
10.所述隔板与所述热气缸相连接，所述配气活塞上设有配气活塞杆，所述配气活塞
板弹簧与所述配气活塞杆和所述热气缸相连接。
11.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述动力活塞远离对置设置的另一所述动力活塞的一端设有动力活塞板弹簧；
12.所述动力活塞上设有动力活塞杆，所述动力活塞板弹簧与所述动力活塞杆和所述冷气缸相连接。
13.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述配气活塞与所述隔板之间设有第二冷腔；
14.所述热气缸与所述冷气缸之间设有连接管，所述连接管的一端与所述第二冷腔相连通，所述连接管的另一端与所述第一冷腔相连通。
15.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述热气缸外侧还设有加热器，所述加热器的一端与所述热腔相连通，所述加热器的另一端连接有回热器和冷却器，所述冷却器的一端与所述回热器相连接，另一端与所述第二冷腔相连通。
16.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述热气缸和所述冷气缸外设有稳压管道，所述稳压管道分别连接所述第一背压腔和所述第二背压腔，以使全部所述第一背压腔和所述第二背压腔处于连通状态。
17.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述冷气缸外还设有直线电机，用于通过所述动力活塞的往复移动带动直线电机发电。
18.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，所述配气活塞与所述动力活塞以预设的相位差分别在所述热气缸和所述冷气缸内往复运动。
19.根据本实用新型一个实施例的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，预设的所述相位差的理想值为90度。
20.本实用新型实施例提供的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，配气活塞远离热腔一侧的第一背压腔与动力活塞远离第一冷腔一侧的第二背压腔之间相互连通，从而保证各动力活塞或配气活塞运动过程中所受到的气体力相同，进而各配气活塞和动力活塞在运动过程中产生的振动效果会相互抵消，降低了发动机运行过程中的振动，并且两两相对设置的配气活塞和动力活塞同时作用，在输出的总功率相同时，动力活塞和配气活塞位移较单一活塞的发动机显著减少，因而动力活塞和配气活塞所产生的振动力也大大降低，而且因为动力活塞和配气活塞的运动行程减少，发动机的结构尺寸减小，因而动力活塞和配气活塞的弹性件的寿命和可靠性也能够提高，从而能够提高发动机的运行频率，使发动机在更紧凑的结构下实现更高的输出。
附图说明
21.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本实用新型共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机一实施例的结构示意图；
23.图2为本实用新型共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机另一实施例的结构示意图；
24.图3为本实用新型共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机第三实施例的结构示意图；
25.图4为本实用新型共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机第四实施例的结构示意图；
26.图5为本实用新型共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机第五实施例的结构示意图；
27.附图标记：
28.10、热气缸；110、配气活塞；1110、热腔；1120、第一背压腔；1130、配气活塞杆；120、隔板；130、配气活塞板弹簧；140、第二冷腔；150、加热器；160、回热器；170、冷却器；
29.20、冷气缸；210、动力活塞；2110、第一冷腔；2120、第二背压腔；2130、动力活塞杆；220、动力活塞板弹簧；230、直线电机；
30.30、连接管；
31.40、稳压管道。
具体实施方式
32.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
34.下面结合图1至图5，本实用新型提供一种共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，包括至少一组热气缸10、至少一组冷气缸20，至少一组热气缸10，内设有多个两两对置的多个配气活塞110，至少一组冷气缸20，内设有多个两两对置的多个动力活塞210，单个配气活塞110或者多组配气活塞110围合设有热腔1110，配气活塞110远离热腔1110的一侧设有第一背压腔1120；单个动力活塞210或者多组动力活塞210围合设有第一冷腔2110，动力活塞210远离第一冷腔2110的一侧为与第一背压腔1120相连通的第二背压腔2120。
35.具体地，对于配气活塞110和动力活塞210的数量在此不对此进行限定，例如可以两个对置设置的配气活塞110和两个对置设置的动力活塞210、两个对置设置的配气活塞110对应四个对置设置的动力活塞210、四个对置设置的配气活塞110对应两个对置设置的动力活塞210或者四个对置设置的配气活塞110对应设置四个对置设置的动力活塞210均可。
36.在本实用新型一实施例中，对于配气活塞110，其中一个配气活塞110远离对置设置的另一个配气活塞110的一端设有隔板120和配气活塞板弹簧130。其中，隔板120与热气缸10相连接，配气活塞110上设有配气活塞杆1130，配气活塞110与配气活塞杆1130和热气缸10相连接。配气活塞110在热气缸10内往复运动时，配气活塞杆1130带动配气活塞板弹簧130发生形变。需要说明的是，以上实施例中的“板弹簧”可以是其它形式的弹簧(如柱簧、磁簧)与其它支撑(如气体轴承、磁轴承)的组合，在此不对此进行限定。
37.对于动力活塞210，其中一个动力活塞210远离对置设置的另一动力活塞210的一端设有动力活塞板弹簧220，动力活塞210上设有动力活塞杆2130，动力活塞板弹簧220与动力活塞杆2130和冷气缸20相连接。也即，动力活塞210在冷气缸20内往复运动时，动力活塞杆2130带动动力活塞板弹簧220发生形变。
38.配气活塞110与隔板120之间设有第二冷腔140，热气缸10与冷气缸20之间设有连接管30，连接管30的一端与第二冷腔140相连通，连接管30的另一端与第一冷腔2110相连通，也即第一冷腔2110和第二冷腔140之间处于连通状态。由此当对置的配气活塞110压缩热腔1110时，位于第二冷腔140的气体可以朝向第一冷腔2110移动。
39.热气缸10外侧还设有加热器150，加热器150的一端与热腔1110相连通，加热器150的另一端连接有回热器160和冷却器170，冷却器170的一端与回热器160相连接，另一端与第二冷腔140相连通。加热器150用于向热腔1110输送热量，以形成气压力推动配气活塞110和动力活塞210移动。回热器160用于等容吸热和等容放热。
40.热气缸10和冷气缸20外设有稳压管道40，稳压管道40分别连接第一背压腔1120和第二背压腔2120。稳压管道40的设置用于使得各对置的动力活塞210或配气活塞110在运动过程中所受到的气体力相同，有助于保证各动力活塞210或配气活塞110运动状态的一致性。稳压管道40的作用在于将所有第一背压腔1120或者第二背压腔2120连通在一起，也可以同时将所有的第一背压腔1120和第二背压腔2120连通在一起，由此使得各对置的动力活塞210或配气活塞110在运动过程中所受到的气体力相同。
41.进一步地，冷气缸20外还设有直线电机230。动力活塞210在往复运动过程中，直线电机230与动力活塞210之间有相对运动，由此产生磁通量的变化而输出电能。
42.配气活塞110与动力活塞210以预设的相位差分别在热气缸10和冷气缸20内往复运动。
43.请继续参照图1，在本实用新型一实施例中，以下先以两个配气活塞110对应两个动力活塞210进行阐述工作原理：
44.需要说明的是，两个配气活塞110和两个动力活塞210是通过气体力耦合，两个配气活塞110和两个动力活塞210分别位于热气缸10和冷气缸20中。两个配气活塞110的相对距离最远对应两个配气活塞110的远止点，两个配气活塞110的相对距离最近对应两个配气活塞110的近止点。同理，两个动力活塞210的相对距离最远对应两个动力活塞210的远止点，两个动力活塞210的相对距离最近对应两个动力活塞210的近止点。
45.初始状态下，两个配气活塞110位于靠近远止点设置，而两个动力活塞210靠近近止点设置。热腔1110接收加热器150的外部热量，高压气体受热膨胀，推动动力活塞210朝向远止点移动直至接近远止点。而当动力活塞210朝向远止点移动过程中，工作腔内的气压减小，工作腔与背压腔的压差减小，配气活塞110所受的气体力减小，配气活塞板弹簧130的弹
性力推动配气活塞110朝向近止点移动。两个配气活塞110朝向近止点的移动过程中推动热腔1110内的气体依次经过回热器160、冷却器170以及第二冷腔140输送至第一冷腔2110，热气体在回热器160内完成等容放热，将热量传递给回热器160内的金属填料。两个配气活塞110运动到近止点并换向开始往远止点运动，同时两个动力活塞210向近止点运动，气体在第一冷腔2110内被压缩，压缩热经冷却器170向外散出，从而实现等温压缩的过程。最后，动力活塞210到达近止点并开始往远止点运动的同时，两个配气活塞110继续由近止点向远止点运动，推动工质气体由第一冷腔2110分别通过两侧的回热器160进入热腔1110，气体在回热器160内完成等容吸热过程，从回热器160内的金属填料吸收热量后温度升高，进而两个动力活塞210可以继续向远止点运动，进行等温膨胀过程，发动机内的气体便可以开始下一轮的循环，如此往复。在上述循环过程中，两个配气活塞110的运动始终超前两个动力活塞210接近90度。
46.也即，在发动机运行过程中，运动部件在工作时近似正弦运动，发动机的背压腔彼此相通，使得发动机运行过程中，每对动力活塞210或配气活塞110所受的气体力相同，运动状态也完全相同，动力活塞210和配气活塞110之间两两对置设置，使得两个幅度相同、相位相反的正弦波相互叠加后的输出结果为0，每对动力活塞210或配气活塞110运动产生的振动相互抵消，从而使得整个发动机系统的振动力为0，实现了整个系统的低振动、高可靠性运行。
47.请参照图2，在本实用新型的另一实施例中，对于两个对置设置的动力活塞210可以不共用第一冷腔2110。例如当两个动力活塞210之间不共用第一冷腔2110的状态下，第二冷腔140与第一冷腔2110之间设置连接管30进行连接。或者可参照图3，也可以使得两个配气活塞110之间不共用热腔。
48.请参照图4和图5，在本实用新型可实施的其他实施例中，也可以设置四个配气活塞110与两个动力活塞210。例如四个配气活塞110之间两两相对设置，且每一配气活塞110外均设置一个加热器150、回热器160以及冷却器170。或者在其他实施例中，也可以设置四个配气活塞110与两个动力活塞210或者四个动力活塞210。四个动力活塞210之间两两相对设置。具体操作原理可以参照上述的记述，在此不做赘述。
49.综上，本实用新型所提供的共腔体对置的分置式自由活塞斯特林发动机，通过气体耦合作用使得两个配气活塞110共用一个热腔1110，两个动力活塞210共用一个第一冷腔2110，减少了发动机中热腔1110和第一冷腔2110的数量，使结构更加紧凑，同时有助于降低发动机运行过程中的热损失，提高发动机热效率，且发动机的动力活塞210和配气活塞110分置于两个气缸中，也即热气缸10和冷气缸20中，降低了两种振动系统之间的干扰。而且两个配气活塞110和两个动力活塞210均为两两对称布置，在发动机运行过程中，每对动力活塞210和配气活塞110的振动方向相反，振动相互抵消，有效降低了整个发动机系统的振动，并且发动机中各背压腔彼此连通，更加有效地保证了每对动力活塞210和配气活塞110所受气体力及运动状态的一致性。同时，由于发动机中有两对配气活塞110和动力活塞210同时作用，在输出的总功率相同时，配气活塞110和动力活塞210的位移较传统的自由活塞斯特林发动机显著减少，因而动力活塞210和配气活塞110的振动力也显著降低，此外由于活塞的运动行程减少，支撑动力活塞210的动力活塞板弹簧220以及支撑配气活塞110的配气活塞板弹簧130的寿命和可靠性也能显著提高，发动机的结构尺寸减小，运行频率提高，从而
能够在更紧凑的结构下实现更高的输出。
50.在本实用新型实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。